(57)【要約】【課題】  燃料電池システムにおいて、一定時間燃料電池の運転が停止され、外気温度が水の凝固点以下となった場合であっても、電解質膜等の耐久性の低下を抑制すること。【解決手段】  燃料電池システムであって、燃料電池と、水よりも凝固点が低い低凝固点溶剤を貯蔵する溶剤貯蔵部と、燃料電池内に配され、燃料電池の電気化学反応に供される反応ガスが流れる反応ガス流路と、燃料電池の発電終了以降において、反応ガス流路に、溶剤貯蔵部に貯蔵される低凝固点溶剤を供給するための溶剤供給部と、燃料電池の発電開始前において、反応ガス流路に供給された低凝固点溶剤を除去し、溶剤貯蔵部に回収するための溶剤回収部と、を備え、溶剤供給部は、反応ガス流路に、低凝固点溶剤を供給する場合に、溶剤貯蔵部に回収され貯蔵された低凝固点溶剤を供給する。【選択図】        図１
2007073406.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
水よりも凝固点が低い低凝固点溶剤を貯蔵する溶剤貯蔵部と、
前記燃料電池内に配され、前記燃料電池の電気化学反応に供される反応ガスが流れる反応ガス流路と、
前記燃料電池の発電終了以降において、前記反応ガス流路に、前記溶剤貯蔵部に貯蔵される前記低凝固点溶剤を供給するための溶剤供給部と、
前記燃料電池の発電開始前において、前記反応ガス流路に供給された前記低凝固点溶剤を除去し、前記溶剤貯蔵部に回収するための溶剤回収部と、
を備え、
前記溶剤供給部は、
前記反応ガス流路に、前記低凝固点溶剤を供給する場合に、前記溶剤貯蔵部に回収され貯蔵された前記低凝固点溶剤を供給することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記溶剤供給部が前記反応ガス流路に供給する前記低凝固点溶剤の濃度を所定濃度以上に維持するための溶剤濃度維持部を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記溶剤回収部により回収され、前記溶剤貯蔵部に貯蔵される前記低凝固点溶剤の濃度を所定濃度以上に維持する溶剤濃度維持部を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記溶剤濃度維持部は、
前記低凝固点溶剤が予め貯蔵される溶剤副貯蔵部と、
前記溶剤回収部により回収され、前記溶剤貯蔵部に貯蔵される前記低凝固点溶剤の前記濃度を検出する濃度検出部と、
を備え、
検出された前記濃度が前記所定濃度未満の場合に、前記溶剤副貯蔵部から前記溶剤貯蔵部へ前記低凝固点溶剤を補充することで前記低凝固点溶剤の前記濃度を前記所定濃度以上に維持することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
前記低凝固点溶剤は、可燃性であり、
前記低凝固点溶剤を燃料として燃焼可能なボイラを備え、
前記溶剤濃度維持部は、
前記濃度検出部により検出された前記濃度が前記所定濃度未満の場合に、前記溶剤貯蔵部に貯蔵中の前記低凝固点溶剤を前記ボイラに供給して減少させ、また、前記溶剤副貯蔵部から前記溶剤貯蔵部へ前記低凝固点溶剤を補充することで前記低凝固点溶剤の前記濃度を前記所定濃度以上に維持し、
前記ボイラは、
供給される前記低凝固点溶剤を燃料として燃焼させて前記低凝固点溶剤を消費することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、
前記ボイラは、
前記溶剤濃度維持部により供給される前記低凝固点溶剤を燃料として燃焼させた場合に生じる熱で、前記反応ガスを暖気することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
燃料電池の凍結防止方法であって、
前記燃料電池には、電気化学反応に供される反応ガスが流れる反応ガス流路が配されており、
（ａ）水よりも凝固点が低い低凝固点溶剤を貯蔵する溶剤貯蔵部を用意する工程と、
（ｂ）前記燃料電池の発電終了以降において、前記反応ガス流路に、前記溶剤貯蔵部に貯蔵される前記低凝固点溶剤を供給する工程と、
（ｃ）前記燃料電池の発電開始前において、前記反応ガス流路に供給された前記低凝固点溶剤を除去し、前記溶剤貯蔵部に回収する工程と、
（ｂ）回収した前記低凝固点溶剤を前記溶剤貯蔵部に貯蔵する工程と、
を備えたことを特徴とする凍結防止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムの燃料電池において、凍結を抑制する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、新しいエネルギ源として、水素などの燃料ガス（以下、アノードガスと呼ぶ。）と酸素を含む酸化ガス（以下、カソードガスと呼ぶ。）とを用いて発電を行う燃料電池が注目されている。この燃料電池内に配される流路であって、アノードガスが流れる流路をアノード流路と呼び、カソードガスが流れる流路をカソード流路と呼ぶ。この燃料電池の酸素極（以下、カソードと呼ぶ。）では、電気化学反応によって水が生成されるが、この生成水が多い場合やカソードガス流量が少ない時など、燃料電池の運転条件によって、生成水がカソード流路に滞留する場合がある。また、燃料電池の燃料極（以下、アノードと呼ぶ。）でも、燃料電池の運転条件によって、カソードで生成された水が電解質膜を介して浸透してきたり、電解質膜の乾燥防止のためにアノードガス中に含まれる水蒸気が結露したりして、水が生じ、アノード流路に滞留する場合がある（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１８７８４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、カソード流路やアノード流路に滞留水が生じた状態で、一定時間燃料電池の運転が停止され、外気温度が水の凝固点以下（すなわち、氷点下）となると、これらの流路内の滞留水が凍結し、アノード、カソード、または、それらの間に挟持される電解質膜などに損傷を与え、アノード、カソード、または、電解質膜の耐久性が低下するという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、燃料電池システムにおいて、一定時間燃料電池の運転が停止され、外気温度が水の凝固点以下（すなわち、氷点下）となった場合であっても、電解質膜等の耐久性の低下を抑制する技術の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の燃料電池システムでは、
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
水よりも凝固点が低い低凝固点溶剤を貯蔵する溶剤貯蔵部と、
前記燃料電池内に配され、前記燃料電池の電気化学反応に供される反応ガスが流れる反応ガス流路と、
前記燃料電池の発電終了以降において、前記反応ガス流路に、前記溶剤貯蔵部に貯蔵される前記低凝固点溶剤を供給するための溶剤供給部と、
前記燃料電池の発電開始前において、前記反応ガス流路に供給された前記低凝固点溶剤を除去し、前記溶剤貯蔵部に回収するための溶剤回収部と、
を備え、
前記溶剤供給部は、
前記反応ガス流路に、前記低凝固点溶剤を供給する場合に、前記溶剤貯蔵部に回収され貯蔵された前記低凝固点溶剤を供給することを要旨とする。
【０００７】
上記構成の燃料電池システムによれば、燃料電池が、一定時間運転を停止し、外気温度が水の凝固点以下（氷点下）となっても、低凝固点溶剤の凝固点以下とならなければ、低凝固点溶剤は凍結することはないので、外気温度が氷点下となったことに起因して電解質膜等に損傷を与えることを抑制することができる。その結果、外気温度が氷点下となったことに起因して、電解質膜等の耐久性が低下することを抑制することができる。また、上記構成の燃料電池システムによれば、回収し貯蔵した低凝固点溶剤を再度利用することができ、新たな低凝固点溶剤を補充することを抑制することができる。その結果、新たな低凝固点溶剤を補充することに伴うコスト・手間等を抑制することができる。
【０００８】
上記燃料電池システムにおいて、
前記溶剤供給部が前記反応ガス流路に供給する前記低凝固点溶剤の濃度を所定濃度以上に維持するための溶剤濃度維持部を備えるようにしてもよい。
【０００９】
このようにすれば、低凝固点溶剤の濃度低下に起因する凝固点の上昇を抑制することができる。その結果、燃料電池が、一定時間運転を停止し、外気温度が水の凝固点以下（氷点下）となっても、低凝固点溶剤の凍結を抑制することができ、それに伴って、電解質膜等の耐久性が低下することを抑制することができる。
【００１０】
上記燃料電池システムにおいて、
前記溶剤回収部により回収され、前記溶剤貯蔵部に貯蔵される前記低凝固点溶剤の濃度を所定濃度以上に維持する溶剤濃度維持部を備えるようにしてもよい。
【００１１】
このようにすれば、低凝固点溶剤の濃度低下に起因する凝固点の上昇を抑制することができる。その結果、燃料電池が、一定時間運転を停止し、外気温度が水の凝固点以下（氷点下）となっても、低凝固点溶剤の凍結を抑制することができ、それに伴って、電解質膜等の耐久性が低下することを抑制することができる。
【００１２】
上記燃料電池システムにおいて、
前記溶剤濃度維持部は、
前記低凝固点溶剤が予め貯蔵される溶剤副貯蔵部と、
前記溶剤回収部により回収され、前記溶剤貯蔵部に貯蔵される前記低凝固点溶剤の前記濃度を検出する濃度検出部と、
を備え、
検出された前記濃度が前記所定濃度未満の場合に、前記溶剤副貯蔵部から前記溶剤貯蔵部へ前記低凝固点溶剤を補充することで前記低凝固点溶剤の前記濃度を前記所定濃度以上に維持するようにしてもよい。
【００１３】
このようにすれば、低凝固点溶剤の濃度低下に起因する凝固点の上昇を抑制することができる。その結果、燃料電池が、一定時間運転を停止し、外気温度が水の凝固点以下（氷点下）となっても、低凝固点溶剤の凍結を抑制することができ、それに伴って、電解質膜等の耐久性が低下することを抑制することができる。
【００１４】
上記燃料電池システムにおいて、
前記低凝固点溶剤は、可燃性であり、
前記低凝固点溶剤を燃料として燃焼可能なボイラを備え、
前記溶剤濃度維持部は、
前記濃度検出部により検出された前記濃度が前記所定濃度未満の場合に、前記溶剤貯蔵部に貯蔵中の前記低凝固点溶剤を前記ボイラに供給して減少させ、また、前記溶剤副貯蔵部から前記溶剤貯蔵部へ前記低凝固点溶剤を補充することで前記低凝固点溶剤の前記濃度を前記所定濃度以上に維持し、
前記ボイラは、
供給される前記低凝固点溶剤を燃料として燃焼させて前記低凝固点溶剤を消費するようにしてもよい。
【００１５】
このようにすれば、濃度が所定濃度未満となった低凝固点溶剤を燃料電池システム外部に廃棄することなく、有効に活用することができる。また、廃棄に伴う弊害を抑制することができる。
【００１６】
前記ボイラは、
前記溶剤濃度維持部により供給される前記低凝固点溶剤を燃料として燃焼させた場合に生じる熱で、前記反応ガスを暖気するようにしてもよい。
【００１７】
このようにすれば、濃度が所定濃度未満となった低凝固点溶剤を活用し、反応ガスの暖気を行なうことができる。
【００１８】
なお、本発明は、上記した燃料電池システムなどの装置発明の態様に限ることなく、燃料電池の凍結抑制方法などの方法発明としての態様で実現することも可能である。さらには、それら方法や装置を構築するためのコンピュータプログラムとしての態様や、そのようなコンピュータプログラムを記録した記録媒体としての態様や、上記コンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など、種々の態様で実現することも可能である。
【００１９】
また、本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、上記装置の動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき次の順序で説明する。
Ａ．実施例：
Ａ１．燃料電池システム１００の概略：
Ａ２．運転停止時処理：
Ａ３．運転始動時処理：
Ｂ．変形例：
【００２１】
Ａ．実施例：
Ａ１．燃料電池システム１００の概略：
図１は、本発明の実施例としての燃料電池システム１００の概略構成図である。図１に示す燃料電池システム１００は、主に燃料電池１０と、ブロワ３０と、温度センサ５０と、ヒータ３００と、ボイラ３０５と、溶剤バッファタンク３７０と、溶剤リザーブタンク３８０と、三方向弁３１０，３２０，３３０と、伝導度センサ３５０と、液量センサ３５５と、溶剤供給ポンプ３６０と、リザーブ弁３８５と、ガス抜弁３４０と、制御回路４００と、水素タンク２０と、遮断弁２００と、調圧弁２２０と、循環ポンプ２５０と、パージ弁２４０とを備えている。
【００２２】
燃料電池１０は、固体高分子型の燃料電池であり、構成単位である単セル（以下単にセルと呼ぶ。）を複数積層したスタック構造を有している。各セルは、電解質膜（図示せず）を挟んでアノード（図示せず）とカソード（図示せず）とを配置した構成となっている。燃料電池１０は、各々のセルのアノード側に水素を含有するアノードガスを供給し、カソード側にカソードガスを供給することで、電気化学反応が進行し、起電力を生じる。燃料電池１０は、生じた電力を燃料電池１０に接続される所定の負荷（例えば、モータや蓄電池。）に供給する。なお、燃料電池１０としては、上記した固体高分子型燃料電池の他、水素分離膜型燃料電池や、アルカリ水溶液電解質型や、リン酸電解質型や、あるいは溶融炭酸塩電解質型等、種々のタイプの燃料電池を用いることができる。また、燃料電池１０には、温度センサ５０が接続されている。以下では、燃料電池１０のアノードガスが流れる流路をアノード流路２５と呼び、カソードガスが流れる流路をカソード流路３７と呼ぶ。
【００２３】
水素タンク２０は、高圧の水素ガスが貯蔵される貯蔵装置であり、アノードガス供給流路２４を介して燃料電池１０のアノード流路２５に接続されている。アノードガス供給流路２４上において、水素タンク２０から近い順番に、遮断弁２００と、調圧弁２２０とが設けられている。遮断弁２００を開弁することにより、燃料電池１０に水素ガスをアノードガスとして供給する。
【００２４】
燃料電池システム１００の運転中において、電気化学反応に供された後のアノードからのオフガス（以下、アノードオフガスと呼ぶ。）は、定期的に、アノードオフガス流路２６を介し、パージ弁２４０から外部へ排出（パージ）される。また、アノードオフガスは、循環ポンプ２５０によりガス循環流路２８を介して、アノードガス供給流路２４に再度供給される。このようにして、アノードオフガスに含まれる水素ガスは、循環して、アノードガスとして再び発電に使用される。
【００２５】
ブロワ３０は、空気を取り込み圧縮する装置であり、カソードガス供給流路３４を介して燃料電池１０のカソード流路３７に接続されている。カソードガス供給流路３４上において、ブロワ３０から近い順番に、ヒータ３００と、ボイラ３０５と、三方向弁３１０とが設けられている。
【００２６】
ボイラ３０５は、後述の低凝固点溶剤が貯留されるボイラタンク３０７を備えており、ボイラタンク３０７に貯留される低凝固点溶剤を燃料として燃焼させ、その燃焼熱によりカソードガス供給流路３４上を流れるカソードガスを暖気する。また、ボイラタンク３０７の容量は、後述する溶剤バッファタンク３７０の容量よりも大きくなっている。
【００２７】
三方向弁３１０は、溶剤供給流路４０とも接続される。この三方向弁３１０は、図１に示すように、制御回路４００によって制御され、ブロワ３０から燃料電池１０へ向かう方向（Ｏ方向）、または、溶剤供給流路４０からカソードガス供給流路３４を介して燃料電池１０へ向かう方向（Ｐ方向）のどちらか一方の方向に流体を流すようになっている。この三方向弁３１０において、制御回路４００によりＯ方向に流体を流すように制御されると、ブロワ３０で圧縮された空気がカソードガスとして、カソードガス供給流路３４を介して燃料電池１０に供給される。なお、制御回路４００によりＰ方向に流体を流すように制御された場合についての詳細な説明は後述する。
【００２８】
燃料電池１０には、カソードオフガス流路３６が接続されており、また、カソードオフガス流路３６上には、三方向弁３３０が設けられている。
【００２９】
三方向弁３３０は、溶剤回収流路３９とも接続される。この三方向弁３３０は、図１に示すように、制御回路４００によって制御され、燃料電池１０から燃料電池１０の外部へ向かう方向（Ｓ方向）、または、燃料電池１０から溶剤回収流路３９へ向かう方向（Ｔ方向）のどちらか一方の方向に流体を流すようになっている。この三方向弁３３０において、制御回路４００によりＳ方向に流体を流すように制御されると、電気化学反応に供された後のカソードからのオフガスは、カソードオフガス流路３６を通じて外部に排出される。なお、三方向弁３３０において、制御回路４００によりＴ方向に流体を流すように制御された場合についての詳細な説明は後述する。
【００３０】
溶剤バッファタンク３７０は、水の凝固点より低く、さらに、可燃性である低凝固点溶剤が貯蔵されるタンクである。この溶剤バッファタンク３７０は、図１に示すように、溶剤回収流路３９と、ガス抜流路３４１と、リザーブ流路３８１と、溶剤供給流路４０と、それぞれ接続される。溶剤回収流路３９は、溶剤バッファタンク３７０の上面に接続される。ガス抜流路３４１も、溶剤バッファタンク３７０の上面に接続される。溶剤供給流路４０は、溶剤バッファタンク３７０の上面を突き抜け、先端部が溶剤バッファタンク３７０の底面付近に位置するように配置されている。また、溶剤バッファタンク３７０には、底面付近に伝導度センサ３５０が、底面に液量センサ３５５がそれぞれ配置される。この伝導度センサ３５０は、低凝固点溶剤中の含水率の検出に用いられ、液量センサ３５５は、低凝固点溶剤の液量の検出に用いられる。
【００３１】
なお、低凝固点溶剤は、例えば、メタノール、エタノール、ブタノール、エチレングリコールなどのアルコール系溶剤（アルコール系水溶液）や、アセトンなどのケトン系溶剤（ケトン系水溶液）などが好ましい。溶剤バッファタンク３７０に最初に入れられる低凝固点溶剤の含水率をＳｘとする。この含水率Ｓｘは、燃料電池システム１００の具体的な設計や低凝固点溶剤の種類・性質などを考慮して好適な値に適宜決定される。
【００３２】
溶剤リザーブタンク３８０は、低凝固点溶剤のリザーブタンクであり、図１に示すように、溶剤バッファタンク３７０より高い位置に設けられ、リザーブ流路３８１を介して溶剤バッファタンク３７０と接続される。また、リザーブ流路３８１上には、リザーブ弁３８５が設けられる。溶剤リザーブタンク３８０の低凝固点溶剤は、後述する燃料電池システム１００の運転始動時処理において、所定の条件を満たした場合に、リザーブ弁３８５が開弁されることにより、溶剤リザーブタンク３８０から溶剤バッファタンク３７０へ補充される。なお、この溶剤リザーブタンク３８０に保持される低凝固点溶剤の含水率は、溶剤バッファタンク３７０に最初に入れられる低凝固点溶剤の含水率Ｓｘと同じである。
【００３３】
ガス抜弁３４０は、ガス抜流路３４１上に設けられ、溶剤バッファタンク３７０内のカソードガスを開弁により燃料電池システム１００の外部に排出させる。
【００３４】
溶剤供給流路４０は、図１に示すように、溶剤バッファタンク３７０と接続される他、三方向弁３１０とボイラタンク３０７とも接続されている。また、溶剤供給流路４０上には、溶剤バッファタンク３７０に近い順番に、溶剤供給ポンプ３６０と、三方向弁３２０とが設けられている。溶剤供給ポンプ３６０は、制御回路４００により制御され、溶剤供給流路４０において、溶剤バッファタンク３７０の低凝固点溶剤を汲み上げ、三方向弁３２０へ向けて供給する。
【００３５】
三方向弁３２０は、図１に示すように、制御回路４００によって制御され、溶剤バッファタンク３７０から三方向弁３１０へ向かう方向（Ｑ方向）、または、溶剤バッファタンク３７０からボイラ３０５へ向かう方向（Ｒ方向）のどちらか一方の方向に流体を流すようになっている。制御回路４００により、この三方向弁３２０においてＱ方向に流体を流すように制御され、三方向弁３１０においてＰ方向に流体を流すように制御され、さらに、溶剤供給ポンプ３６０が駆動されると、溶剤バッファタンク３７０の低凝固点溶剤が汲み上げられ、溶剤供給流路４０およびカソードガス供給流路３４を介して燃料電池１０のカソード流路３７へ低凝固点溶剤が供給される。また、この三方向弁３２０において、制御回路４００によりＲ方向に流体を流すように制御され、溶剤供給ポンプ３６０が駆動されると、溶剤バッファタンク３７０の低凝固点溶剤が汲み上げられ、溶剤供給流路４０を介してボイラタンク３０７へ供給される。
【００３６】
制御回路４００は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵ（図示せず）と、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ（図示せず）と、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ（図示せず）と、各種信号を入出力する入出力ポート（図示せず）等を備え、ブロワ３０、ヒータ３００、ボイラ３０５、三方向弁３１０、三方向弁３２０、三方向弁３３０、ガス抜弁３４０、リザーブ弁３８５、溶剤供給ポンプ３６０などの燃料電池システム１００に関する種々の制御を行う。
【００３７】
また、制御回路４００は、溶剤供給処理部４１０、溶剤回収処理部４２０、および、溶剤濃度維持処理部４３０として機能し、後述の運転時停止処理および運転始動時処理を実行する。溶剤濃度維持処理部４３０は、温度センサ５０から燃料電池１０の温度Ｔを、伝導度センサ３５０から溶剤バッファタンク３７０内の低凝固点溶剤の含水率Ｓを、または、液量センサ３５５から溶剤バッファタンク３７０内の低凝固点溶剤の液量をそれぞれ検出する。
【００３８】
なお、請求項における溶剤貯蔵部は、溶剤バッファタンク３７０に該当する。請求項における反応ガス流路は、カソード流路３７に該当する。請求項における溶剤供給部は、溶剤供給処理部４１０、溶剤供給流路４０、溶剤供給ポンプ３６０、および、カソードガス供給流路３４に該当する。請求項における溶剤回収部は、溶剤回収処理部４２０、ブロワ３０、カソードガス供給流路３４、カソード流路３７、カソードオフガス流路３６、および、溶剤回収流路３９に該当する。請求項における溶剤濃度維持部は、溶剤濃度維持処理部４３０、リザーブ弁３８５、溶剤リザーブタンク３８０、リザーブ流路３８１、および、伝導度センサ３５０に該当する。
【００３９】
Ａ２．運転停止時処理：
図２は、本実施例の燃料電池システム１００における運転時停止処理のフローチャートである。この処理は、燃料電池システム１００において、燃料電池１０の発電が終了した後、燃料電池システム１００全体を運転停止する時に行う処理である。制御回路４００は、外部から所定の運転停止信号を受付けると、この運転停止処理を実行する。
【００４０】
溶剤供給処理部４１０は、所定の運転停止信号を受付けると、掃気運転を行う（ステップＳ１０）。この掃気運転とは、カソード流路３７内に滞留する滞留水を掃き出す処理である。具体的には、溶剤供給処理部４１０は、まず、三方向弁３１０、三方向弁３３０に対して、それぞれ、Ｏ方向、Ｓ方向に流体を流すように制御し、所定時間、ブロワ３０にカソードガスを圧送させ、さらに、ヒータ３００を制御し、圧送させるカソードガスを加熱し、そのカソードガスによりカソード流路３７内の滞留水をカソードオフガス流路３６を介して外部に掃き出させる。
【００４１】
ところで、カソード流路３７内の滞留水を完全に除去するためには、この掃気運転を長時間行う必要がある。しかしながら、この掃気運転を長時間続けると、燃料電池システム１００を速やかに停止できないという問題やカソードガスの加熱のためにヒータ３００で、多量なエネルギを消費して、エネルギ効率が悪化するという問題があった。そこで、本実施例の運転時停止処理では、上記掃気運転を比較的短時間で行い、カソード流路３７内の滞留水をある程度除去した後に以下のステップＳ２０の処理を行う。
【００４２】
ステップＳ２０の処理において、溶剤供給処理部４１０は、掃気運転終了後、カソード流路３７において、カソード流路３７にまだ残っている滞留水を溶剤バッファタンク３７０に押し出し、カソード流路３７を低凝固点溶剤で満たす処理を行う。具体的には、溶剤供給処理部４１０は、三方向弁３１０、三方向弁３２０、および、三方向弁３３０に対して、それぞれ、Ｐ方向、Ｑ方向、および、Ｔ方向に流体を流すように制御し、所定時間、溶剤供給ポンプ３６０を駆動する。また、溶剤供給処理部４１０は、ガス抜弁３４０を適宜開弁させる。このようにして、溶剤供給処理部４１０は、溶剤バッファタンク３７０の低凝固点溶剤を、溶剤供給ポンプ３６０により汲み上げさせ、溶剤供給流路４０およびカソードガス供給流路３４を介して、カソード流路３７に供給する。こうして、カソード流路３７の滞留水やカソードガスは、低凝固点溶剤と共に溶剤バッファタンク３７０へ押し出され、その結果、カソード流路３７は、低凝固点溶剤で満たされた状態（低凝固点溶剤充填状態）となる。溶剤バッファタンク３７０に押し出されたカソードガスは、ガス抜弁３４０が適宜開弁されることにより、ガス抜流路３４１を介して燃料電池システム１００の外部に排出される。また、カソード流路３７の滞留水は、溶剤バッファタンク３７０に低凝固点溶剤と共に貯蔵される。その後、この運転停止時処理を終了し、燃料電池システム１００の運転を停止する。
【００４３】
以上のように、上述の運転停止時処理（図２）を行うごとに、すなわち、上記ステップＳ２０の処理を行うごとに、カソード流路３７内の滞留水は、溶剤バッファタンク３７０に低凝固点溶剤と共に貯蔵されることになり、溶剤バッファタンク３７０内の低凝固点溶剤の含水率は、上昇することとなる。
【００４４】
以上のように、本実施例の燃料電池システム１００は、運転停止時処理（図２）において、比較的短時間掃気運転した後、カソード流路３７にまだ残っている滞留水を溶剤バッファタンク３７０に押し出し、カソード流路３７を低凝固点溶剤で満たすようにしている。このようにすれば、燃料電池１０が、一定時間運転を停止し、外気温度が水の凝固点以下（氷点下）となっても、低凝固点溶剤の凝固点以下とならなければ、低凝固点溶剤は凍結することはないので、外気温度が氷点下となったことに起因してカソードや電解質膜等に損傷を与えることを抑制することができる。その結果、外気温度が氷点下となったことに起因して、カソードや電解質膜の耐久性が低下することを抑制することができる。また、このようにすれば、掃気運転を比較的短時間で終了するので、燃料電池システム１００の運転停止の時間を短縮することができ、また、ヒータ３００で無駄なエネルギを消費することを抑制することができる。
【００４５】
Ａ３．運転始動時処理：
図３は、本実施例の燃料電池システム１００における運転始動時処理のフローチャートである。この運転始動時処理は、燃料電池システム１００において、燃料電池１０の発電開始前に、燃料電池システム１００全体の運転を開始する時に行う処理である。制御回路４００は、外部から所定の運転開始信号を受付けると、この運転始動時処理を実行する。
【００４６】
まず、溶剤回収処理部４２０は、カソード流路３７内に満たされた低凝固点溶剤を溶剤バッファタンク３７０に回収する処理を行う（ステップＳ１１０）。具体的には、溶剤回収処理部４２０は、三方向弁３１０、三方向弁３３０に対して、それぞれ、Ｏ方向、Ｔ方向に流体を流すように制御し、ブロワ３０を駆動する。また、溶剤回収処理部４２０は、ガス抜弁３４０を適宜開弁させる。このようにして、溶剤回収処理部４２０は、カソードガス供給流路３４を介してカソードガスを燃料電池１０に供給する。こうして、カソード流路３７に満たされた低凝固点溶剤は、カソードガスと共に溶剤バッファタンク３７０へ押し出され、その結果、カソード流路３７内に満たされていた低凝固点溶剤は、溶剤バッファタンク３７０に回収される。また、ガス抜弁３４０が適宜開弁されることにより、溶剤バッファタンク３７０内に入り込んだカソードガスは、ガス抜流路３４１を介して燃料電池システム１００の外部に排出される。
【００４７】
続いて、溶剤濃度維持処理部４３０は、伝導度センサ３５０から低凝固点溶剤の含水率Ｓを検出する（ステップＳ１２０）。
【００４８】
そして、溶剤濃度維持処理部４３０は、検出した含水率Ｓが所定含水率Ｓｒ（Ｓｒ＞Ｓｘ）以上か否かを判断する（ステップＳ１３０）。
【００４９】
なお、含水率Ｓが所定含水率Ｓｒ未満の場合には、すなわち、溶剤バッファタンク３７０内の低凝固点溶剤の濃度が所定濃度ρ（１−Ｓｒ）以上であるということを表わし、含水率Ｓが所定含水率Ｓｒ以上の場合には、すなわち、溶剤バッファタンク３７０内の低凝固点溶剤の濃度が所定濃度ρ（１−Ｓｒ）未満であるということを表わす。
【００５０】
溶剤濃度維持処理部４３０は、含水率Ｓが所定含水率Ｓｒ以上の場合には（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、三方向弁３２０に対して、Ｒ方向に流体を流すように制御し、溶剤供給ポンプ３６０を駆動して、溶剤バッファタンク３７０から低凝固点溶剤を汲み上げ、溶剤供給流路４０を介して、ボイラタンク３０７に、溶剤バッファタンク３７０の低凝固点溶剤の供給を開始する。そして、溶剤濃度維持処理部４３０は、液量センサ３５５から溶剤バッファタンク３７０内の低凝固点溶剤の液量を検出し、低凝固点溶剤の液量がほぼ０になった場合に、溶剤バッファタンク３７０の低凝固点溶剤をボイラタンク３０７に全量供給したと判断し、溶剤供給ポンプ３６０の駆動を停止させ、低凝固点溶剤の供給を停止する（ステップＳ１４０）。このようにして、溶剤濃度維持処理部４３０は、溶剤バッファタンク３７０の低凝固点溶剤を、ボイラタンク３０７に全量供給する。
【００５１】
次に、溶剤濃度維持処理部４３０は、温度センサ５０から燃料電池１０の温度Ｔを検出する（ステップＳ１５０）。
【００５２】
そして、溶剤濃度維持処理部４３０は、検出した温度Ｔが所定温度Ｔｘより低いか否かを判断する（ステップＳ１６０）。
【００５３】
溶剤濃度維持処理部４３０は、検出した温度Ｔが所定温度Ｔｘより低い場合（ステップＳ１６０：ＹＥＳ）には、ボイラ３０５を運転させて、ボイラタンク３０７の低凝固点溶剤を燃料として燃焼させ、その燃焼熱でブロワ３０から燃料電池１０に供給されるカソードガスを加熱させる（ステップＳ１７０）。これにより、加熱したカソードガスが供給される燃料電池１０は、徐々に昇温する。その後、ステップＳ１５０の処理にリターンする。
【００５４】
溶剤濃度維持処理部４３０は、検出した温度Ｔが所定温度Ｔｘ以上と判断すると（ステップＳ１６０：ＮＯ）、ボイラ３０５の運転を停止させる（ステップＳ１８０）。なお、最初から燃料電池１０の温度が所定温度Ｔｘ以上である場合には、ボイラ３０５の運転をしていないので、この処理はスキップする。
【００５５】
次に、溶剤濃度維持処理部４３０は、リザーブ弁３８５を開弁し、液量センサ３５５から低凝固点溶剤の液量を検出し、液量を監視しつつ、溶剤リザーブタンク３８０から溶剤バッファタンク３７０に低凝固点溶剤を補充し、予め定められる量になると、リザーブ弁３８５を閉弁し、低凝固点溶剤の補充を完了する（ステップＳ１９０）。
その後、制御回路４００は、燃料電池システム１００の運転を開始する（ステップＳ２３０）。
【００５６】
一方、溶剤濃度維持処理部４３０は、検出した含水率Ｓが所定含水率Ｓｒ未満の場合には（ステップＳ１３０：ＮＯ）、温度センサ５０から燃料電池１０の温度Ｔを検出する（ステップＳ２００）。
【００５７】
次に、溶剤濃度維持処理部４３０は、検出した温度Ｔが所定温度Ｔｘより低いか否かを判断する（ステップＳ２１０）。
【００５８】
溶剤濃度維持処理部４３０は、検出した温度Ｔが所定温度Ｔｘより低い場合（ステップＳ２１０：ＹＥＳ）には、ヒータ３００でブロワ３０から燃料電池１０に供給されるカソードガスを加熱させる（ステップＳ２２０）。そして、溶剤濃度維持処理部４３０は、ステップＳ２００の処理にリターンする。
【００５９】
溶剤濃度維持処理部４３０は、検出した温度Ｔが所定温度Ｔｘ以上となると（ステップＳ２１０：ＮＯ）には、ヒータ３００を稼働している場合にはそれを停止させ、ステップＳ２３０の処理へ移行する。
【００６０】
以上のように、本実施例の燃料電池システム１００は、運転始動時処理（図３）のステップＳ１１０の処理において、運転停止時処理（図２）でカソード流路３７に充填された低凝固点溶剤を溶剤バッファタンク３７０に回収するようにしている。このようにすれば、運転停止時処理において、回収した低凝固点溶剤を再度利用することができ、新たに低凝固点溶剤を溶剤バッファタンク３７０に補充することを抑制することができる。その結果、新たな低凝固点溶剤を補充することに伴うコストを抑制することができる。
【００６１】
また、本実施例の燃料電池システム１００は、運転始動時処理（図３）において、溶剤バッファタンク３７０内の低凝固点溶剤の含水率Ｓが所定含水率Ｓｒ以上の場合（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、すなわち、溶剤バッファタンク３７０内の低凝固点溶剤の濃度が所定濃度ρ（１−Ｓｒ）未満である場合には、低凝固点溶剤をボイラタンク３０７に供給し、溶剤バッファタンク３７０内を空にした後、溶剤リザーブタンク３８０から溶剤バッファタンク３７０へ、所定含水率Ｓｒより低い含水率Ｓｘの低凝固点溶剤を新たに補充するようにしている。このようにすれば、溶剤バッファタンク３７０内には、所定含水率Ｓｒより低い含水率Ｓｘの低凝固点溶剤、すなわち、濃度が所定濃度ρ以上の低凝固点溶剤が満たされることになる。従って、溶剤バッファタンク３７０内の低凝固点溶剤は、濃度が所定濃度ρ以上に維持されることになり、運転停止時処理（図２）において、カソード流路３７に低凝固点溶剤を供給する場合に、所定濃度ρ以上の低凝固点溶剤を供給することができ、低凝固点溶剤の濃度低下に起因する凝固点の上昇を抑制することができる。その結果、燃料電池１０が、一定時間運転を停止し、外気温度が水の凝固点以下（氷点下）となっても、低凝固点溶剤の凍結を抑制することができ、それに伴って、カソードや電解質膜の耐久性が低下することを抑制することができる。
【００６２】
さらに、本実施例の燃料電池システム１００は、運転始動時処理（図３）において、溶剤バッファタンク３７０内の低凝固点溶剤の含水率Ｓが所定含水率Ｓｒ以上の場合（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、すなわち、溶剤バッファタンク３７０内の低凝固点溶剤の濃度が所定濃度ρ（１−Ｓｒ）未満となると、低凝固点溶剤をボイラタンク３０７に供給し、それを燃料としてボイラ３０５に燃焼させて、カソードガスの昇温に利用するようにしている。このようにすれば、濃度が所定濃度ρ未満となった低凝固点溶剤を燃料電池システム１００外部に廃棄することなく、有効に活用することができる。また、廃棄に伴う弊害を抑制することができる。
【００６３】
Ｂ．変形例：
なお、本発明では、上記した実施の形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。
【００６４】
Ｂ１．変形例１：
上記実施例の燃料電池システム１００において、溶剤バッファタンク３７０内の低凝固点溶剤の濃度を所定濃度ρ以上に保つため、溶剤バッファタンク３７０内の低凝固点溶剤の濃度が所定濃度ρ（１−Ｓｒ）未満である場合には、低凝固点溶剤をボイラタンク３０７に供給し、溶剤バッファタンク３７０内を空にした後、溶剤リザーブタンク３８０から溶剤バッファタンク３７０へ、所定含水率Ｓｒより低い含水率Ｓｘの低凝固点溶剤を新たに補充するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、溶剤バッファタンク３７０内の低凝固点溶剤の濃度を所定濃度ρ以上に保つために以下のようにしてもよい。
【００６５】
すなわち、溶剤回収流路３９上に所定の脱水剤が装填された脱水剤装填装置Ｇ（図示せず）を設け、溶剤バッファタンク３７０に低凝固点溶剤を回収する際に、低凝固点溶剤を脱水剤装填装置Ｇを介して溶剤バッファタンク３７０に回収するようにしてもよい。この場合、脱水剤装填装置Ｇは、低凝固点溶剤から所定量の水分を吸収する。なお、脱水剤としては、シリカゲルや硫酸マグネシウムなどを用いることが好ましい。このようにしても、溶剤バッファタンク３７０内の低凝固点溶剤の濃度を所定濃度ρ以上に保つことが可能であり、また、この場合、溶剤リザーブタンク３８０を備える必要がないので、燃料電池システム１００の構成を簡素化することが可能である。また、低凝固点溶剤を新たに供給することを抑制することができるので、新たな低凝固点溶剤の供給に伴うコスト。手間等を抑制することができる。なお、脱水剤装填装置Ｇは、請求項における溶剤濃度維持部に該当する。
【００６６】
Ｂ２．変形例２：
上記実施例の燃料電池システム１００、または、上記変形例１の燃料電池システム１００では、溶剤バッファタンク３７０内の低凝固点溶剤の濃度を所定濃度ρ以上に保つようにすることで、カソード流路３７に供給する低凝固点溶剤の濃度が所定濃度ρ以上になるようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、上記変形例１の脱水剤装填装置Ｇを、低凝固点溶剤が溶剤バッファタンク３７０からカソード流路３７に供給されるまでの流路上（すなわち、三方向弁３２０とボイラ３０５の間は除く溶剤供給流路４０上、または、三方向弁３１０と燃料電池１０との間のカソードガス供給流路３４上）に設けて、カソード流路３７に供給する低凝固点溶剤の濃度が所定濃度ρ以上になるようにしてもよい。このようにすれば、カソード流路３７において、低凝固点溶剤の濃度低下に起因する凝固点の上昇を抑制することができる。その結果、燃料電池１０が、一定時間運転を停止し、外気温度が水の凝固点以下（氷点下）となっても、低凝固点溶剤の凍結を抑制することができ、それに伴って、カソードや電解質膜の耐久性が低下することを抑制することができる。また、このようにすれば、溶剤リザーブタンク３８０を備える必要がないので、燃料電池システム１００の構成を簡素化することが可能である。さらに、低凝固点溶剤を新たに供給することを抑制することができるので、新たな低凝固点溶剤の供給に伴うコスト・手間等を抑制することができる。なお、脱水剤装填装置Ｇは、請求項における溶剤濃度維持部に該当する。
【００６７】
Ｂ３．変形例３：
上記実施例の燃料電池システム１００では、運転停止時処理（図２）において、カソード流路３７に低凝固点溶剤を充填するようにしているが、本発明では、これに限られるものではなく、燃料電池システム１００の運転停止時において、低凝固点溶剤をアノード流路２５に充填するようにしてもよい。この場合、例えば、アノードガス供給流路２４上に三方向弁３１０を設け、アノードオフガス流路２６上に三方向弁３３０を設ける。そして、上述した運転停止時処理（図２）のごとく、溶剤バッファタンク３７０の低凝固点溶剤を、溶剤供給ポンプ３６０を駆動させて、溶剤供給流路４０、三方向弁３２０、溶剤供給流路４０、三方向弁３１０、アノードガス供給流路２４、アノードオフガス流路２６、三方向弁３３０、および、溶剤回収流路３９を介して、再び溶剤バッファタンク３７０に戻すように循環させ、これにより、アノード流路２５に供給するようにしてもよい。このようにすれば、燃料電池１０が、一定時間運転を停止し、外気温度が水の凝固点以下（氷点下）となっても、低凝固点溶剤の凝固点以下とならなければ、低凝固点溶剤は凍結することはないので、外気温度が氷点下となったことに起因してアノードや電解質膜等に損傷を与えることを抑制することができる。その結果、外気温度が氷点下となったことに起因して、アノードや電解質膜の耐久性が低下することを抑制することができる。なお、アノード流路２５は、請求項における反応ガス流路に該当する。
【００６８】
また、上述した運転始動時処理（図３）のごとく、アノード流路２５に充填された低凝固点溶剤を溶剤バッファタンク３７０に回収するようにしてもよい。このようにすれば、回収した低凝固点溶剤を再度利用することができ、新たに低凝固点溶剤を溶剤バッファタンク３７０に補充することを抑制することができる。その結果、新たな低凝固点溶剤を補充することに伴うコストを抑制することができる。
【００６９】
Ｂ４．変形例４：
上記実施例の燃料電池システム１００では、運転停止時処理（図２）において、溶剤供給流路４０上に設けられた溶剤供給ポンプ３６０を用いて、低凝固点溶剤を汲み上げカソード流路３７に充填するようにしているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、溶剤供給ポンプ３６０を、三方向弁３１０と燃料電池１０との間のカソードガス供給流路３４上や、三方向弁３３０と燃料電池１０との間のカソードオフガス流路３６上や、溶剤回収流路３９上などに設け、この溶剤供給ポンプ３６０を用いて、低凝固点溶剤を汲み上げカソード流路３７に充填するようにしていてもよい。
【００７０】
Ｂ５．変形例５：
上記実施例の燃料電池システム１００では、始動時処理（図３）において、低凝固点溶剤を回収する場合に、カソードガス供給流路３４と接続されるブロワ３０を用いて、低凝固点溶剤をカソード流路３７から押し出し、溶剤バッファタンク３７０に回収するようにしているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、所定のポンプを溶剤回収流路３９上になどに設け、低凝固点溶剤を回収する場合に、カソード流路３７から低凝固点溶剤を吸引し、それを溶剤バッファタンク３７０に回収するようにしてもよい。
【００７１】
Ｂ６．変形例６：
上記実施例および上記変形例の燃料電池システム１００において、運転停止時処理（図２）は、燃料電池システム１００において、燃料電池１０の発電が終了した後、燃料電池システム１００全体を運転停止する時に行う処理であるが、本発明は、これに限られるものではなく、この処理を、燃料電池１０の発電終了以降であればいつ行うようにしてもよい。また、運転始動時処理（図３）は、燃料電池１０の発電開始前に、燃料電池システム１００全体の運転を開始する時に行う処理であるが、本発明は、これに限られるものではなく、この処理を、燃料電池１０の発電開始前であればいつ行うようにしてもよい。
【００７２】
Ｂ７．変形例７：
上記実施例の燃料電池システム１００の制御回路４００において、ソフトウェア的に構成されているものを、ハードウェア的に構成するようにしてもよいし、ハードウェア的に構成されているものを、ソフトウェア的に構成するようにしてもよい。
【００７３】
Ｂ８．変形例８：
上記実施例の燃料電池システム１００において、燃料電池１０の運転停止時には、運転停止時処理（図２）を行い、カソード流路３７にまだ残っている滞留水を溶剤バッファタンク３７０に押し出し、カソード流路３７を低凝固点溶剤で満たすようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。
【００７４】
例えば、燃料電池システム１００には、ユーザによって指定される通常モードと、寒冷地モードとを有していてもよい。そして、溶剤供給処理部４１０は、燃料電池１０の運転停止時において、寒冷地モードである場合のみ、上記運転停止時処理（図２）を行い、燃料電池１０の運転停止時において、通常モードである場合には、掃気運転（図２：ステップＳ１０参照）のみを行うようにしてもよい。このようにすれば、燃料電池１０の運転停止時において、燃料電池システム１００が寒冷地モードの場合のみ、カソード流路３７にまだ残っている滞留水を溶剤バッファタンク３７０に押し出し、カソード流路３７を低凝固点溶剤で満たし、通常モードの場合には、それを行わないので、溶剤バッファタンク３７０における低凝固点溶剤の含水率Ｓの上昇を抑制することができる。その結果、溶剤バッファタンク３７０に新たな低凝固点溶剤を補充することを抑制することができ、さらに、新たな低凝固点溶剤を補充することに伴うコスト・手間等を抑制することができる。なお、燃料電池システム１００において、通常モードと寒冷地モードは、ユーザに指定されるのではなく、常時、所定の温度センサで外気温度を検出しておき、その外気温度に基づいて、通常時モード、寒冷地モードのモード選択をするようにしてもよい。
【００７５】
また、例えば、燃料電池システム１００は、燃料電池システム１００外部に温度センサ（図示せず、以下では、外部温度センサと呼ぶ。）を備えていてもよい。そして、溶剤供給処理部４１０は、燃料電池１０の運転停止時において、外部温度センサから燃料電池システム１００外部の外気温度Ｔｈを検出し、その外気温度Ｔｈが、所定温度Ｔｔより低い場合にのみ、上記運転停止時処理を行い、燃料電池１０の運転停止時において、検出した外気温度Ｔｈが、所定温度Ｔｔ以上の場合には、掃気運転（図２：ステップＳ１０参照）のみを行うようにしてもよい。このようにすれば、燃料電池１０の運転停止時において、外気温度Ｔｈが、所定温度Ｔｔより低い場合のみ、カソード流路３７にまだ残っている滞留水を溶剤バッファタンク３７０に押し出し、カソード流路３７を低凝固点溶剤で満たし、外気温度Ｔｈが、所定温度Ｔｔ以上の場合には、それを行わないので、溶剤バッファタンク３７０における低凝固点溶剤の含水率Ｓの上昇を抑制することができる。その結果、溶剤バッファタンク３７０に新たな低凝固点溶剤を補充することを抑制することができ、さらに、新たな低凝固点溶剤を補充することに伴うコスト・手間等を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の実施例としての燃料電池システム１００の概略構成図である。
【図２】上記実施例の燃料電池システム１００における運転時停止処理のフローチャートである。
【図３】上記実施例の燃料電池システム１００における運転始動時処理のフローチャートである。
【符号の説明】
【００７７】
１０...燃料電池
２０...水素タンク
２４...アノードガス供給流路
２５...アノード流路
２６...アノードオフガス流路
２８...ガス循環流路
３０...ブロワ
３４...カソードガス供給流路
３６...カソードオフガス流路
３７...カソード流路
３９...溶剤回収流路
４０...溶剤供給流路
５０...温度センサ
１００...燃料電池システム
３００...ヒータ
３０５...ボイラ
３０７...ボイラタンク
３１０，３２０，３３０...三方向弁
３４０...ガス抜弁
３４１...ガス抜流路
３５０...伝導度センサ
３５５...液量センサ
３６０...溶剤供給ポンプ
３７０...溶剤バッファタンク
３８０...溶剤リザーブタンク
３８１...リザーブ流路
３８５...リザーブ弁
４００...制御回路
４１０...溶剤供給処理部
４２０...溶剤回収処理部
４３０...溶剤濃度維持処理部
【図１】
2007073406.tif 000003
【図２】
2007073406.tif 000004
【図３】
2007073406.tif 000005